linux下利用backtrace追蹤函數調用堆棧以及定位段錯誤

一般察看函數運行時堆棧的方法是使用GDB（bt命令）之類的外部調試器,但是,有些時候為了分析程序的BUG,(主要針對長時間運行程序的分析),在程序出錯時打印出函數的調用堆棧是非常有用的。

在glibc頭文件"execinfo.h"中聲明了三個函數用於獲取當前線程的函數調用堆棧。

 

int backtrace(void **buffer,int size)

該函數用於獲取當前線程的調用堆棧,獲取的信息將會被存放在buffer中,它是一個指針列表。參數 size 用來指定buffer中可以保存多少個void* 元素。函數返回值是實際獲取的指針個數,最大不超過size大小

在buffer中的指針實際是從堆棧中獲取的返回地址,每一個堆棧框架有一個返回地址

注意:某些編譯器的優化選項對獲取正確的調用堆棧有干擾,另外內聯函數沒有堆棧框架;刪除框架指針也會導致無法正確解析堆棧內容

 

char ** backtrace_symbols (void *const *buffer, int size)

backtrace_symbols將從backtrace函數獲取的信息轉化為一個字符串數組. 參數buffer應該是從backtrace函數獲取的指針數組,size是該數組中的元素個數(backtrace的返回值)   
   
函數返回值是一個指向字符串數組的指針,它的大小同buffer相同.每個字符串包含了一個相對於buffer中對應元素的可打印信息.它包括函數名，函數的偏移地址,和實際的返回地址

現在,只有使用ELF二進制格式的程序才能獲取函數名稱和偏移地址.在其他系統,只有16進制的返回地址能被獲取.另外,你可能需要傳遞相應的符號給鏈接器,以能支持函數名功能(比如,在使用GNU ld鏈接器的系統中,你需要傳遞(-rdynamic)， -rdynamic可用來通知鏈接器將所有符號添加到動態符號表中，如果你的鏈接器支持-rdynamic的話，建議將其加上！)

該函數的返回值是通過malloc函數申請的空間,因此調用者必須使用free函數來釋放指針.

注意:如果不能為字符串獲取足夠的空間函數的返回值將會為NULL

 

void backtrace_symbols_fd (void *const *buffer, int size, int fd)

backtrace_symbols_fd與backtrace_symbols 函數具有相同的功能,不同的是它不會給調用者返回字符串數組,而是將結果寫入文件描述符為fd的文件中,每個函數對應一行.它不需要調用malloc函數,因此適用於有可能調用該函數會失敗的情況

 

下面是glibc中的實例（稍有修改）：

#include <execinfo.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

/* Obtain a backtrace and print it to @code{stdout}. */
void print_trace (void)
{
    void *array[10];
    size_t size;
    char **strings;
　   size_t i;

    size = backtrace (array, 10);
    strings = backtrace_symbols (array, size);
    if (NULL == strings)
    {
　       perror("backtrace_synbols");
        Exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf ("Obtained %zd stack frames.\n", size);

    for (i = 0; i < size; i++)
        printf ("%s\n", strings[i]);

    free (strings);
　   strings = NULL;
}

/* A dummy function to make the backtrace more interesting. */
void dummy_function (void)
{
    print_trace ();
}

int main (int argc, char *argv[])
{
    dummy_function ();
    return 0;
}

輸出如下：

Obtained 4 stack frames.
./execinfo() [0x80484dd]
./execinfo() [0x8048549]
./execinfo() [0x8048556]
/lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3) [0x70a113]

 

我們還可以利用這backtrace來定位段錯誤位置。

通常情況系，程序發生段錯誤時系統會發送SIGSEGV信號給程序，缺省處理是退出函數。我們可以使用 signal(SIGSEGV, &your_function);函數來接管SIGSEGV信號的處理，程序在發生段錯誤后，自動調用我們准備好的函數，從而在那個函數里來獲取當前函數調用棧。

舉例如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stddef.h>
#include <execinfo.h>
#include <signal.h>

void dump(int signo)
{
    void *buffer[30] = {0};
    size_t size;
    char **strings = NULL;
    size_t i = 0;

    size = backtrace(buffer, 30);
    fprintf(stdout, "Obtained %zd stack frames.nm\n", size);
    strings = backtrace_symbols(buffer, size);
    if (strings == NULL)
    {
        perror("backtrace_symbols.");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    for (i = 0; i < size; i++)
    {
        fprintf(stdout, "%s\n", strings[i]);
    }
    free(strings);
    strings = NULL;
    exit(0);
}

void func_c()
{
    *((volatile char *)0x0) = 0x9999;
}

void func_b()
{
    func_c();
}

void func_a()
{
    func_b();
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
    if (signal(SIGSEGV, dump) == SIG_ERR)
        perror("can't catch SIGSEGV");
    func_a();
    return 0;
}

 

編譯程序：

gcc -g -rdynamic test.c -o test; ./test

輸出如下：

Obtained6stackframes.nm
./backstrace_debug(dump+0x45)[0x80487c9]
[0x468400]
./backstrace_debug(func_b+0x8)[0x804888c]
./backstrace_debug(func_a+0x8)[0x8048896]
./backstrace_debug(main+0x33)[0x80488cb]
/lib/i386-linux-gnu/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3)[0x129113]

 （這里有個疑問： 多次運行的結果是/lib/i368-linux-gnu/libc.so.6和[0x468400]的返回地址是變化的，但不變的是后三位， 不知道為什么）

接着：

objdump -d test > test.s

在test.s中搜索804888c如下：

 

8048884 <func_b>:
8048884:    55              push %ebp
8048885:    89 e5            mov %esp, %ebp
8048887:    e8 eb ff ff ff       call 8048877 <func_c>
804888c:    5d                pop %ebp
804888d:    c3                ret

其中80488c時調用（call 8048877）C函數后的地址，雖然並沒有直接定位到C函數，通過匯編代碼， 基本可以推出是C函數出問題了（pop指令不會導致段錯誤的）。

我們也可以通過addr2line來查看

addr2line 0x804888c -e backstrace_debug -f

輸出：

func_b
/home/astrol/c/backstrace_debug.c:57

 

以下是簡單的backtrace原理實現：

 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define LEN 4
#define FILENAME "stack"

int backtrace(void **buffer, int size)
{
    int i = 0;
    unsigned long int reg_eip = 0;
    unsigned long int reg_ebp = 0;
    char cmd[size][64];

    memset(cmd, 0, size * 64);
    __asm__ volatile (
        /* get current EBP */
        "movl %%ebp, %0 \n\t"
        :"=r"(reg_ebp)  /* output register */
        :       /* input  register */
        :"memory"   /* cloberred register */
    );

    for (i = 0; i < size; i++)
    {
        reg_eip = *(unsigned long int *)(reg_ebp + 4);
        reg_ebp = *(unsigned long int *)(reg_ebp);
        buffer[i] = (void *)reg_eip;
        fprintf(stderr, "%p -> ", buffer[i]);
        sprintf(cmd[i], "addr2line %p -e ", buffer[i]);
        strncat(cmd[i], FILENAME" -f", strlen(FILENAME)+3);
        system(cmd[i]);
        puts("");
    }

    return size;
}

static void test2(void)
{
    int i = 0;
    void *buffer[LEN] = {0};
    backtrace(buffer, LEN);
    return;
}

static void test1(void)
{
    test2();
}

static void test(void)
{
    test1();
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
    test();
    return 0;
}

 

參考鏈接：http://blog.csdn.net/qqwx_1986/article/details/5942863